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Facet Engineering to Regulate Surface States of Topological Crystalline Insulator Bismuth Rhombic Dodecahedrons for Highly Energy Efficient Electrochemical CO2 Reduction

过电位 材料科学 格式化 电催化剂 拓扑绝缘体 选择性 拓扑(电路) 吸附 电化学 催化作用 纳米技术 化学工程 物理化学 电极 凝聚态物理 化学 有机化学 工程类 物理 冶金 组合数学 数学
作者
Huan Xie,Tan Zhang,Ruikuan Xie,Zhufeng Hou,Xuecong Ji,Yongyu Pang,Shaoqing Chen,Maria‐Magdalena Titirici,Hongming Weng,Guoliang Chai
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:33 (31): e2008373-e2008373 被引量:149
标识
DOI:10.1002/adma.202008373
摘要

Abstract Bismuth (Bi) is a topological crystalline insulator (TCI), which has gapless topological surface states (TSSs) protected by a specific crystalline symmetry that strongly depends on the facet. Bi is also a promising electrochemical CO 2 reduction reaction (ECO 2 RR) electrocatalyst for formate production. In this study, single‐crystalline Bi rhombic dodecahedrons (RDs) exposed with (104) and (110) facets are developed. The Bi RDs demonstrate a very low overpotential and high selectivity for formate production (Faradic efficiency >92.2%) in a wide partial current density range from 9.8 to 290.1 mA cm −2 , leading to a remarkably high full‐cell energy efficiency (69.5%) for ECO 2 RR. The significantly reduced overpotential is caused by the enhanced *OCHO adsorption on the Bi RDs. The high selectivity of formate can be ascribed to the TSSs and the trivial surface states opening small gaps in the bulk gap on Bi RDs, which strengthens and stabilizes the preferentially adsorbed *OCHO and mitigates the competing adsorption of *H during ECO 2 RR. This study describes a promising application of Bi RDs for high‐rate formate production and high‐efficiency energy storage of intermittent renewable electricity. Optimizing the geometry of TCIs is also proposed as an effective strategy to tune the TSSs of topological catalysts.
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